专利名称：偏振纠缠量子光源的制作方法
技术领域：
本发明涉及量子信息科学技术领域，尤其涉及一种偏振纠缠量子光源。
背景技术：
利用量子力学基本原理，量子信息技术可以实现很多经典信息技术无法实现的应 用，具有重要的学术意义和应用价值。量子纠缠(quantum entanglement)是量子信息功 能实现所依赖的重要量子资源，是一种量子力学现象。其定义上描述复合系统(具有两个 以上的子系统)的一类特殊的量子态。此量子态无法分解为子系统各自量子态的张量积 (tensor product)，是物理上分离的子系统之间的非定域关联。对处于量子纠缠的多个子 系统而言，其任一子系统的测量结果无法独立于其他子系统的状态。实现量子纠缠的量子 系统多种多样，如原子、离子和光子等。其中，由于光子具有便于传输、不易与环境相互作用 而退相干的特性，使得纠缠双光子成为量子信息技术中使用最方便的纠缠量子系统。常见 的双光子间纠缠形式包括动量和位置、时间和能量、时间片、偏振态、频率以及光场的正交 振幅和位相信息等。在量子信息技术应用中，由于光子的偏振态易于控制和转换，使得偏振 纠缠双光子被广泛使用。因此，产生偏振纠缠双光子的偏振纠缠量子光源成为量子信息技 术中的关键功能单元。利用非线性光学材料中自发非线性光学过程可以实现偏振纠缠量子光源。目前实 验室普遍采用的方法是利用晶体中二阶非线性参量下转换过程实现偏振纠缠双光子的产 生。一方面，这种方法依赖体光学器件，需要精密的光学准直和调节；另一方面，从晶体中产 生的光子难以高效率的收集到光纤中。这些都限制了基于晶体的偏振纠缠量子光源的实用 化发展。
发明内容
(一)技术问题本发明要解决的一个技术问题是如何提供一种简单且紧凑的偏振纠缠量子光 源，提高偏振纠缠双光子产生和收集的效率。( 二 )技术方案为解决上述问题，本发明提供了一种偏振纠缠量子光源，该光源包括泵浦光发生 装置，用于生成脉冲泵浦光，并将其输入至三阶非线性光学波导；三阶非线性光学波导，具 有双折射特性，用于在两个偏振轴上独立激发自发标量四波混频过程，产生具有偏振纠缠 特性的信号和闲频双光子，并抑制自发矢量四波混频过程；分光滤波装置，用于将所述三阶 非线性光学波导输出的信号光子、闲频光子以及脉冲泵浦光分离，得到偏振纠缠双光子。其中，所述泵浦光发生装置进一步包括脉冲光源，用于输出脉冲泵浦光；泵浦滤 波器，与所述脉冲光源的输出相连，用于将所述脉冲光源输出的脉冲泵浦光波长以外的杂 散光滤除；可调衰减器，用于调节所述泵浦光滤波器输出的脉冲泵浦光的功率；起偏器，用 于将所述可调衰减器调整后的脉冲泵浦光的偏振态转变为线偏振；偏振控制器，用于调整经所述起偏器调整后的脉冲泵浦光的偏振态，并将调整后的脉冲泵浦光输入所述三阶非线 性光学波导。其中，所有器件呈直线型排列。其中，所述脉冲光源为被动锁模激光器、主动锁模激光器、被动调Q激光器、主动 调Q激光器、直调半导体激光器、或外调制半导体激光器。其中，所述泵浦滤波器为边带抑制比大于115分贝的滤波器或者滤波器组合。其中，所述泵浦滤波器为环形器加光纤光栅、镀膜型光学滤波器、微机电系统MEMS 光学滤波器、法布里-珀罗光学滤波器、阵列波导光栅滤波器以及光波分复用器件中的一 种或任意种的组合。其中，所述可调衰减器为光纤挤压或镀膜形式的可调衰减器。其中，所述起偏器为光纤偏振分束器、镀金属的光纤起偏器、或光学晶体偏振分光 棱镜。其中，所述偏振控制器为带光纤输出的偏振控制器。其中，所述偏振控制器为光纤绕制的偏振控制器、基于光纤挤压的偏振控制器、或 由带光输出封装的晶体材料切割而成的半波片及四分之一波片组成的偏振控制器。其中，所述三阶非线性光学波导为保偏光纤、微结构光纤、光子晶体光纤、硫化物 光纤、纳米硅线波导、光子晶体结构硅波导、砷化镓波导、或硫化物波导。其中，所述分光滤波装置为通带隔离度大于110分贝的多端口滤波器或滤波器组合。其中，所述分光滤波装置为环形器加光纤光栅、镀膜型光学滤波器、微机电系统 MEMS光学滤波器、法布里-珀罗光学滤波器、阵列波导光栅滤波器以及光波分复用器件中 的一种或任意种的组合。(三)有益效果本发明的偏振纠缠量子光源利用具有三阶光学非线性的光学材料中自发四波混 频过程同样偏振纠缠双光子的产生。偏振纠缠双光子的产生、收集和传输效率高；采用简单 的直线型结构，无需附加复杂的时分复用或多样性偏振环路等装置，具有结构简单、性能稳 定、以及便于实现的优点；利用非线性光学波导中可灵活设计的双折射特性调控其中的非 线性光学过程特性，为精简偏振纠缠量子光源的物理实现方案开辟了新的途径。
图1为依照本发明一种实施方式的偏振纠缠量子光源结构示意图；图2(a)-图2(d)为实施例的偏振纠缠量子光源中保偏的色散位移光纤中可能激 发的两种自发四波混频过程示意图；图3为实施例的偏振纠缠量子光源中保偏的色散位移光纤中具有偏振纠缠特性 的双光子产生的物理过程示意图；图4为实施例的偏振纠缠量子光源的偏振纠缠双光子检测装置示意图；图5为实施例的偏振纠缠量子光源生成的闲频光子单边计数检测结果；图6为实施例的偏振纠缠量子光源的双光子干涉检测结果。
具体实施例方式本发明的偏振纠缠量子光源，结合附图和实施例详细说明如下。本发明的核心思想在于通过控制泵浦光偏振态，使三阶非线性光学波导的两偏 振轴上可等强度地独立激发自发标量四波混频过程；同时，利用三阶非线性光学波导的双 折射特性，抑制波导中的自发矢量四波混频过程，使三阶非线性光学波导在泵浦光激发下 输出偏振纠缠双光子。如图1所示，依照本发明一种实施方式的偏振纠缠量子光源包括泵浦光发生装置(图中虚线框所示)，用于生成脉冲泵浦光，并将其输入至三阶非 线性光学波导；三阶非线性光学波导6，具有双折射特性，用于在两个偏振轴上独立激发自 发标量四波混频过程，产生信号和闲频双光子，并抑制自发矢量四波混频过程；分光滤波装 置7，用于将三阶非线性光学波导6输出的信号光子、闲频光子(idler sidephoton)以及脉 冲泵浦光分离，选取出来的信号和闲频光子具有偏振纠缠的特征，即为偏振纠缠双光子。其中，可通过成熟的光学微细加工工艺，将三阶非线性光学材料制作成传输损耗 低、空间模式单一且可与光纤低损耗连接的非线性光学波导6。这种利用三阶非线性光波 导6的双折射特性抑制自发矢量四波混频过程包括两个可能的物理机理一是利用具有双 折射特性的三阶非线性光学波导的双折射特性实现其中自发矢量四波混频过程产生的信 号和闲频双光子与自发标量四波混频过程产生的信号和闲频双光子在光波长上的分离；通 过光学滤波选取自发标量四波混频过程产生的信号和闲频双光子，同时抑制自发矢量四波 混频过程产生的信号和闲频双光子输出；二是利用三阶非线性光波导6中的双折射使注入 到波导6中的脉冲泵浦光的两个偏振分量在时-空上发生走离，由于时-空上走离开的两 个泵浦脉冲偏振分量无法形成自发矢量四波混频过程，从而实现自发矢量四波混频过程的 抑制。此外，泵浦光发生装置进一步包括脉冲光源1，用于输出脉冲泵浦光；泵浦滤波 器2，与脉冲光源1的输出相连，用于将脉冲光源1输出的脉冲泵浦光波长以外的杂散光滤 除；可调衰减器3，用于调节泵浦光滤波器2输出的脉冲泵浦光的功率；起偏器4，用于将可 调衰减器3调整的脉冲泵浦光的偏振态转变为线偏振；偏振控制器5，用于调整经起偏器4 调整后的脉冲泵浦光的偏振态，并将调整后的脉冲泵浦光输入三阶非线性光学波导6。脉冲光源1可以是具有脉冲输出的任何形式的光源，可为被动锁模激光器、主动 锁模激光器、被动调Q激光器、主动调Q激光器、直调半导体激光器、或外调制半导体激光器等。泵浦滤波器2为任何具有边带抑制比大于115分贝的滤波器或者滤波器组合，可 为环形器加光纤光栅、镀膜型光学滤波器、微机电系统MEMS光学滤波器、法布里-珀罗光学 滤波器、阵列波导光栅滤波器以及光波分复用器件中的一种任意种的组合。可调衰减器3可以是任何光纤挤压或镀膜形式的可调衰减器。起偏器4是任何能够形成特定光偏振态的光学器件，可为光纤偏振分束器、镀金 属的光纤起偏器、或光学晶体偏振分光棱镜等。偏振控制器5是任何带光纤输出的偏振控制器，可为光纤绕制的偏振控制器、基 于光纤挤压的偏振控制器、或由带光输出封装的晶体材料切割而成的半波片及四分之一波 片组成的偏振控制器。
三阶非线性光学波导6为保偏光纤、微结构光纤、光子晶体光纤、硫化物光纤、纳 米硅线波导、光子晶体结构硅波导、砷化镓波导、或硫化物波导等。分光滤波装置7是任何通带隔离度大于110分贝的多端口滤波器或滤波器组合。 可为环形器加光纤光栅、镀膜型光学滤波器、微机电系统MEMS光学滤波器、法布里-珀罗光 学滤波器、阵列波导光栅滤波器以及广播分复用器件中的一种或任意种的组合。优选地，构成本发明的偏振纠缠量子光源的所有器件呈直线型排列。以下通过具体实施例进一步说明本发明的偏振纠缠量子光源。本实施例为一个1. 5微米波段偏振纠缠量子光源，其结构如图1所示。其中，以具 有双折射特性的三阶非线性光波导为保偏的色散位移光纤。为了避免光纤双折射走离带来 的量子纠缠退相干效应，将150米长的光纤均分为75米的两段，并将两段光纤进行偏振主 轴90度偏移熔接。保偏的色散位移光纤具体的参数如表1所示。表 1
长度(m)_150
非线性系数(/W/km)3-
光纤拍长(mm)_2
零色散波长(nm)_1550本实施例选用的脉冲光源为1. 5微米波段的被动锁模光纤激光器加光学滤波展 宽；脉冲泵浦光的波长为巧52. 75nm，线宽为0. 2nm，重复频率为IMHz ；泵浦滤波器采用环 行器加光纤光栅配合镀膜型可调光滤波器实现，滤波带宽为0. 2nm，边带抑制比大于115分 贝；可调衰减器采用镀膜型可调光衰减器；起偏器选用具有光纤封装的光学晶体；偏振控 制器是光纤绕制而成的光纤偏振控制器；分光滤波装置由波导阵列光栅结合光纤光栅和镀 膜型可调光滤波器组成，且其对泵浦光的抑制大于110分贝，最终选取的信号和闲频双光 子的波长分别为1555. 15nm禾口 1550. 35nm。保偏的色散位移光纤中产生偏振纠缠双光子的物理过程如图2所示。图2(a)和 图2(b)为两个自发矢量四波混频过程的示意图，在这一过程中，两个不同偏振态的泵浦光 子湮灭，产生一对具有不同偏振态的信号和闲频双光子。图2(c)和图2(d)为两个自发标 量四波混频过程的示意图，在这一过程中，两个同偏振态的泵浦光子湮灭，产生一对具有相 同偏振态的信号和闲频双光子。在本实施例中，采用短脉冲泵浦150米长的保偏的色散位移光纤。由于保偏的色 散位移光纤的高双折射特性，在两光纤偏振轴上的短脉冲泵浦光分量迅速走离，使得自发 矢量四波混频过程被抑制。则光纤中仅有分别沿两偏振轴方向的自发标量四波混频过程被 激发。如图3所示，通过调整泵浦光的偏振态使两光纤偏振轴上的泵浦光分量功率水平 一致，沿两光纤偏振轴方向被激发的两自发标量四波混频过程的强度相等，独立产生的信 号和闲频双光子态在时空上重叠，形成1. 5微米偏振纠缠双光子。产生的偏振纠缠双光子的检测由如图4中虚线框内所示的装置完成。由偏振纠缠 量子光源产生的信号光子进入由偏振控制器8，可旋转半波片10和偏振分束器12构成的偏振分析仪，而后由单光子探测器14计数测量。闲频光子进入由偏振控制器9，可旋转半波 片11和偏振分束器13构成的偏振分析仪，而后由单光子探测器15计数测量。输出的剩余 泵浦光由光电探测器17探测后输出电脉冲，用作单光子探测器的触发信号。单光子探测器 14和单光子探测器15的输出信号送到复合计数系统16进行量子纠缠特性分析。图5为闲频光子在不同偏振分析仪角度下测量得到的光子计数结果。可见，闲频 光子计数几乎不随偏振分析仪角度的改变而改变，论证了产生的双光子态具有单边偏振态 不可区分的特性。图6为闲频光子的偏振分析仪角度分别为0度和135度下，在不同的信 号光子偏振分析仪角度下测量得到的信号和闲频双光子复合计数结果。可见，测量到的信 号和闲频双光子复合计数结果在非正交偏振基下均呈现双光子干涉特性，干涉条纹对比度 分别达到92%和89%。由此论证了本实施例的偏振纠缠量子光源输出双光子态的偏振纠 缠特性。以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通 技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有 等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
权利要求
1.一种偏振纠缠量子光源，其特征在于，该光源包括泵浦光发生装置，用于生成脉冲泵浦光，并将其输入至三阶非线性光学波导；三阶非线性光学波导，具有双折射特性，用于在两个偏振轴上独立激发自发标量四波 混频过程，产生具有偏振纠缠特性的信号和闲频双光子，并抑制自发矢量四波混频过程；分光滤波装置，用于将所述三阶非线性光学波导输出的信号光子、闲频光子以及脉冲 泵浦光分离，得到偏振纠缠双光子。
2.如权利要求1所述的偏振纠缠量子光源，其特征在于，所述泵浦光发生装置进一步 包括脉冲光源，用于输出脉冲泵浦光；泵浦滤波器，与所述脉冲光源的输出相连，用于将所述脉冲光源输出的脉冲泵浦光波 长以外的杂散光滤除；可调衰减器，用于调节所述泵浦光滤波器输出的脉冲泵浦光的功率；起偏器，用于将所述可调衰减器调整后的脉冲泵浦光的偏振态转变为线偏振；偏振控制器，用于调整经所述起偏器调整后的脉冲泵浦光的偏振态，并将调整后的脉 冲泵浦光输入所述三阶非线性光学波导。
3.如权利要求2所述的偏振纠缠量子光源，其特征在于，所有器件呈直线型排列。
4.如权利要求2所述的偏振纠缠量子光源，其特征在于，所述脉冲光源为被动锁模激 光器、主动锁模激光器、被动调Q激光器、主动调Q激光器、直调半导体激光器、或外调制半 导体激光器。
5.如权利要求2所述的偏振纠缠量子光源，其特征在于，所述泵浦滤波器为边带抑制 比大于115分贝的滤波器或者滤波器组合。
6.如权利要求5所述的偏振纠缠量子光源，其特征在于，所述泵浦滤波器为环形器加 光纤光栅、镀膜型光学滤波器、微机电系统MEMS光学滤波器、法布里-珀罗光学滤波器、阵 列波导光栅滤波器以及光波分复用器件中的一种或任意种的组合。
7.如权利要求2所述的偏振纠缠量子光源，其特征在于，所述可调衰减器为光纤挤压 或镀膜形式的可调衰减器。
8.如权利要求2所述的偏振纠缠量子光源，其特征在于，所述起偏器为光纤偏振分束 器、镀金属的光纤起偏器、或光学晶体偏振分光棱镜。
9.如权利要求2所述的偏振纠缠量子光源，其特征在于，所述偏振控制器为带光纤输 出的偏振控制器。
10.如权利要求9所述的偏振纠缠量子光源，其特征在于，所述偏振控制器为光纤绕制 的偏振控制器、基于光纤挤压的偏振控制器、或由带光输出封装的晶体材料切割而成的半 波片及四分之一波片组成的偏振控制器。
11.如权利要求1所述的偏振纠缠量子光源，其特征在于，所述三阶非线性光学波导 为保偏光纤、微结构光纤、光子晶体光纤、硫化物光纤、纳米硅线波导、光子晶体结构硅波 导、砷化镓波导、或硫化物波导。
12.如权利要求1所述的偏振纠缠量子光源，其特征在于，所述分光滤波装置为通带隔 离度大于110分贝的多端口滤波器或滤波器组合。
13.如权利要求12所述的偏振纠缠量子光源，其特征在于，所述分光滤波装置为环形器加光纤光栅、镀膜型光学滤波器、微机电系统MEMS光学滤波器、法布里-珀罗光学滤波 器、阵列波导光栅滤波器以及光波分复用器件中的一种或任意种的组合。
全文摘要
本发明公开了一种偏振纠缠量子光源，该光源包括泵浦光发生装置，用于生成脉冲泵浦光，并将其输入至三阶非线性光学波导；三阶非线性光学波导，具有双折射特性，用于在两个偏振轴上独立激发自发标量四波混频过程，产生具有偏振纠缠特性的信号和闲频双光子，并抑制自发矢量四波混频过程；分光滤波装置，用于将所述三阶非线性光学波导输出的信号和闲频光子以及脉冲泵浦光分离，得到偏振纠缠双光子。本发明的偏振纠缠量子光源结构简单且紧凑，偏振纠缠双光子产生和收集的效率高。
文档编号H01S3/108GK102130418SQ20111002875
公开日2011年7月20日 申请日期2011年1月26日 优先权日2011年1月26日
发明者周强, 张巍, 彭江得, 黄翊东 申请人:清华大学